Die Grenzen zwischen Hardware und Software sind oft fließend. Bei der Entwicklung von Hardware, wie beispielsweise für Computer, ist es entscheidend, dass diese nicht nur funktioniert, sondern auch in der Lage ist, Code auszuführen.
Ein Field Programmable Gate Array (FPGA) ist eine spezielle Hardwarearchitektur, die es den Nutzern erlaubt, Schaltkreise flexibel anzupassen – und zwar jederzeit und von jedem Ort aus.
Sich mit der Funktionsweise der FPGA-Programmierung vertraut zu machen, ist ein großer Vorteil für all jene, die eine Laufbahn im Bereich Informatik oder Technologie anstreben.
In diesem Artikel werden wir die FPGA-Programmierung näher beleuchten. Wir erklären, was sie ist, wie sie funktioniert, wo sie zum Einsatz kommt und stellen einige nützliche Ressourcen für weiterführende Informationen bereit.
FPGA-Programmierung
Ein FPGA ist ein integrierter Schaltkreis (IC), der konfigurierbare Logikblöcke und weitere Funktionen enthält. Diese können vom Benutzer beliebig programmiert und neu programmiert werden.
Der Begriff „feldprogrammierbar“ deutet darauf hin, dass die Fähigkeiten eines FPGAs nicht fest verdrahtet sind, sondern vielmehr flexibel angepasst werden können. Nutzer haben somit die Möglichkeit, die Funktionen des Schaltkreises jederzeit zu verändern, um ihren spezifischen Designanforderungen gerecht zu werden.
FPGA-Programmierung kann als der Prozess verstanden werden, bei dem Computerlösungen mithilfe von FPGAs erstellt werden.
Der Programmierer ist dafür verantwortlich, die Architektur der Gatter zu planen, zu entwerfen und zu implementieren. Das Ziel ist es, einen funktionierenden Schaltkreis zu schaffen, der die Bedürfnisse des Nutzers erfüllt. Die FPGA-Programmierung zielt letztendlich darauf ab, eine Hardware-Schaltung zu entwickeln, die beim Einschalten ein bestimmtes Ergebnis liefert.
Die auf einem FPGA vorhandenen Leiterplatten sind so konzipiert, dass sie das Verhalten realer Schaltkreise nachbilden. Daher werden diese Platinen häufig in der Qualitätssicherung zum Testen neuer Produkte eingesetzt. Ein FPGA-System besteht aus verschiedenen Hardwarekomponenten.
Logikgatter bilden die Basis des FPGAs und fungieren als dessen grundlegende Bausteine. Diese Gatter führen logische Operationen mit Eingangs- und Ausgangsdaten durch. Hinzu kommen Routing-Ressourcen, die Signale zwischen verschiedenen Punkten leiten.
Anwendungsfälle der FPGA-Programmierung
Die FPGA-Programmierung ist in der modernen Entwicklungswelt zu einem sehr gefragten Bereich geworden.
Im Folgenden werden einige der typischen Anwendungsfälle aufgeführt:
#1. Entwurf von ASICs
Entwickler haben nun die Möglichkeit, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) zu entwerfen. ASICs erfreuen sich insbesondere in der Welt des Bitcoin-Minings großer Beliebtheit.
Das Design von FPGAs erleichtert die Behebung von Fehlern. Ein Vorteil von FPGAs ist, dass sie als Modelle für zukünftige Projekte dienen können, was langfristig Zeit und Ressourcen einspart.
#2. Bereich der erneuerbaren Energien
Erneuerbare Energien, wie Wind- und Sonnenenergie, gewinnen in einer Welt, die mit den Herausforderungen des Klimawandels konfrontiert ist, immer mehr an Bedeutung. Übertragungs- und Verteilungsstationen (T&D) benötigen effiziente Stromnetze, damit Smart Grids optimal funktionieren.
FPGAs sind äußerst nützlich, um die Skalierbarkeit und Effizienz von Smart Grids zu verbessern und gleichzeitig den Energieverbrauch niedrig zu halten.
#3. Luft- und Raumfahrt und Verteidigung
Flugzeuge sind mitunter extremen Bedingungen ausgesetzt. Aus diesem Grund produzieren Hersteller strahlungsresistente und strahlungstolerante FPGAs, die eine höhere Zuverlässigkeit, Leistung und Lebensdauer in solchen Umgebungen bieten als herkömmliche ASIC-Implementierungen.
#4. Serveranwendungen
Rechenzentren/Server werden immer wichtiger, da die Nachfrage nach schneller Datenverarbeitung ständig steigt. Daten müssen in Echtzeit verarbeitet werden, auch unter eingeschränkten räumlichen und zeitlichen Bedingungen.
FPGAs können über BRAM eine Verbindung zu externen Datenspeichern herstellen und so die Datenverarbeitung auf Chips beschleunigen.
Vorteile der FPGA-Programmierung
- FPGAs sind rekonfigurierbar. Die Flexibilität von FPGAs sollte beachtet werden. Sie können für eine Anwendung konfiguriert und dann für eine andere Anwendung neu konfiguriert werden.
- FPGAs erfordern weniger manuelle Eingriffe. Software übernimmt in einer FPGA-Umgebung Routing-, Timing- und Platzierungsaufgaben. Diese Aufgaben können manuell sehr zeitaufwendig und komplex sein.
- FPGAs werden wie leere Leinwände geliefert. Im Gegensatz zu herkömmlichen ASICs, die vordefinierte Funktionen besitzen, können FPGAs für unterschiedliche Anwendungen neu programmiert werden. Ingenieure können solche Systeme mit Hilfe von HDLs (Hardware Design Language) für verschiedene Zwecke programmieren.
- Prototypenentwicklung. ASICs sind in der Herstellung sehr kostenintensiv und selbst ein kleiner Fehler kann teuer werden. Bevor ein ASIC auf den Markt gebracht wird, ist es wichtig, sicherzustellen, dass das System funktioniert und die gewünschten Ziele erreicht. FPGAs sind reprogrammierbar, was bedeutet, dass Testläufe durchgeführt werden können, bis das Design perfekt ist.
Wie man ein FPGA programmiert
Die Designs zur Programmierung von FPGAs sind hauptsächlich in Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs) wie SystemVerilog, Verilog und VHDL geschrieben.
#1. Verilog
Verilog ist ideal, wenn FPGAs mit wenigen Codezeilen programmiert werden sollen. Diese Sprache ist mit C vergleichbar, obwohl sie speziell für die Hardwarearchitektur entwickelt wurde. Verilog wurde entwickelt, um HDLs flexibler und robuster zu gestalten.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog ist eine Erweiterung von Verilog. Es handelt sich um eine Sprache sowohl für die Hardwareverifikation als auch für die Hardwarebeschreibung. Mit dieser Sprache lassen sich Hardwaremuster beschreiben, in digitalen Code umwandeln und anschließend auf ein FPGA-System hochladen, um bestimmte Aufgaben auszuführen.
#3. VHDL
VHDL steht für Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language. Mit VHDL kann die Hardware eines FPGAs beschrieben werden, sodass Benutzer diese modellieren und simulieren können, bevor sie sie tatsächlich in die Hardware implementieren.
Die Programmierung mit VHDL erleichtert das Erkennen von möglichen Fehlern im Schaltkreis, die vor der endgültigen Implementierung behoben werden können. VHDL ermöglicht es Nutzern, ihren Code strukturiert zu verfassen.
High-Level Synthesis (HLS), bei der das Design in einer Teilmenge von C erstellt wird und der Compiler den Code in Verilog-Code übersetzt, ist bei Entwicklern, die FPGAs programmieren möchten, sehr beliebt.
Entwickler können somit die ihnen vertrauten Sprachen nutzen, um FPGAs über einheitliche Softwareplattformen zu entwerfen.
#4. Python
Diese vielseitige Programmiersprache kann auch zur Programmierung von FPGAs verwendet werden. Dies geschieht über PYNQ, ein Open-Source-Projekt, das die Arbeit mit AMD-Plattformen vereinfacht.
#5. C und C++
C-basierte Sprachen sind aufgrund der High-Level-Synthese (HLS) ideal für FPGA-Designs. Der AMD Vivado™ HLS-Compiler bietet eine Entwicklungsumgebung, die Schlüsseltechnologien mit spezialisierten und Standardprozessoren teilt und so C-basierte Programme optimiert.
#6. KI-Plattformen wie TensorFlow und PyTorch
Ingenieure nutzen trainierte Deep-Learning-Modelle aus Pytorch oder Tensorflow, um sie für die FPGA-Beschleunigung zu kompilieren. Dieser Ansatz macht eine Low-Level-Hardwareprogrammierung überflüssig und erreicht trotzdem eine sehr schnelle Kompilierung.
In normalen Programmiersprachen wie Python, C oder C++ geschriebener Code wird durch Synthesewerkzeuge in proprietäre Verbindungsbeschreibungen umgewandelt.
Die resultierende Datei, die die Verbindungsbeschreibung enthält, wird als Bitstrom bezeichnet. Ein Bitstrom beschreibt, wie ein FPGA konfiguriert wird (d.h. wie Flip-Flops, Gatter und verschiedene digitale Schaltungselemente über die Verbindungsmatrix des FPGAs verbunden werden).
FPGAs verfügen über eine integrierte Konfiguration, die die Bitstromdatei liest und das FPGA entsprechend konfiguriert. Die Konfigurationsschaltung kann die Bitstromdatei über verschiedene Ansätze lesen, wie z.B. parallelen Flash-Speicher, JTAG und seriellen Flash-Speicher.
FPGA-Board-Hersteller stellen Software/Anleitungen bereit, die Entwickler zum Konfigurieren/Programmieren der Systeme nutzen können.
Die meisten FPGA-Systeme können beliebig oft neu programmiert werden. Die einzige Einschränkung besteht, wenn solche Systeme durch Bedingungen beschädigt werden, die nicht den Spezifikationen entsprechen, wie z.B. Verschleiß, hohe Temperaturen oder Überspannung.
In diesen Lernressourcen können Sie mehr über die FPGA-Programmierung erfahren:
Lernmittel
#1. FPGA-Programmierung für Anfänger
Dieses Buch führt Sie in die Welt der FPGA-Programmierung mit SystemVerilog ein. Der Lehransatz ist projektbasiert, d.h. Sie werden reale Anwendungen wie eine Tastatur und einen Taschenrechner entwickeln.
Das Buch stellt zunächst die FPGA-Architektur vor und geht dann auf das Schreiben von SystemVerilog RTL ein. Es führt auch in die Grundlagen der Computermathematik, des Pipelining und der Parallelverarbeitung ein. Darüber hinaus behandelt es fortgeschrittene Themen wie AXI und Tastaturschnittstellen mit PS/2.
Dieses Buch ist ideal für Programmierer, Ingenieure und Entwickler von eingebetteten Systemen, die die FPGA- und SystemVerilog-Programmierung erlernen möchten. Es ist auch für FPGA-Designer geeignet, die praktische Erfahrung in der Entwicklung realer Projekte suchen.
#2. FPGAs für Softwareprogrammierer
Dieses Buch führt Softwareingenieure in die Welt der FPGAs und der rekonfigurierbaren Technologie ein. Es beginnt mit einer Einführung in FPGAs und deren Programmiermodell. Dies ist auch das Buch, das Sie verwenden sollten, wenn Sie lernen möchten, wie FPGAs verschiedene Anwendungen ohne Low-Level-Hardware-Designprozesse implementieren.
Das Buch vermittelt ein realistisches Gefühl für Probleme, die für FPGAs geeignet sind, und wie man Lösungen aus der Sicht eines Softwareentwicklers implementiert. Der anwenderorientierte Ansatz in diesem Buch macht es leicht zu verstehen, wo und wie die FPGA-Technologie anwendbar ist. Die Zielgruppe dieses Buches sind Softwareentwickler und FPGA-Designingenieure.
#3. Einstieg in die FPGA-Programmierung: Programmieren von Metall
Dieses Buch zeigt dem Leser, wie man BeMicro MAX 10 verwendet, um einen Temperatursensor, einen Bewegungssensor und eine KITT-Autoanzeige aus Knight Rider zu bauen. Das Buch ist anfängerfreundlich und eignet sich auch für Personen ohne Programmierkenntnisse oder ein Studium der Elektrotechnik.
Das Buch stellt FPGAs vor und erklärt die Unterschiede zu Mikrocontrollern oder ASICs. Es ist auch die Ressource, die in die Einrichtung einer Toolchain und die Verwendung von VHDL zur Programmierung von FPGAs einführt. Das Buch ist ideal für Elektronik- und Raspberry Pi-Enthusiasten, die einen praktischen Einstieg in die Welt der FPGAs suchen.
#4. Programmieren von FPGAs: Erste Schritte mit Verilog
Dieses Buch ist ideal, wenn Sie noch keine Erfahrung mit Verilog und FPGAs haben. Wenn die FPGA-Programmierung ein neues Thema für Sie ist, ist dies ein guter Ausgangspunkt. Typische Beispiele wie Zähler und 7-Segment-Anzeigen helfen Lernenden auf den richtigen Weg.
Das Buch führt in Verilog ein und bietet verschiedene fortgeschrittene Beispiele wie VGA. Diese Ressource ist möglicherweise nicht ideal, wenn Sie bereits Kenntnisse in Verilog und FPGA besitzen. Dieses Buch ist als Kindle- und Taschenbuchversion erhältlich.
Fazit
FPGAs können in Deep-Learning-Anwendungen mit niedriger Latenz manchmal eine bessere Leistung als GPUs erzielen. Die FPGA-Programmierung ist eine wichtige Fähigkeit, da FPGAs neben vielen anderen Anwendungen in der Unterhaltungselektronik, der industriellen Automatisierung und in militärischen Anwendungen zum Einsatz kommen. FPGAs entwickeln sich stetig weiter und wir können gespannt sein, wie sie für weitere Anwendungsfälle und eine noch bessere Leistung optimiert werden.